摘要：固态放电产物过氧化锂(Li_(2)O_(2))与锂氧电池的性能密切相关,Li_(2)O_(2)会加剧浓差极化和电荷转移阻力,导致电压突降和较差可逆性。尽管先前的Li_(2)O_(2)生成理论有助于指导电池设计,但却难以解释Li_(2)O_(2)的全部行为,特别是那些非常规形态的Li_(2)O_(2)。因此,Li_(2)O_(2)的生成路径仍然是一个谜。本文回顾了近二十年来对Li_(2)O_(2)生成的认识过程,包括Li_(2)O_(2)形貌的变化、导致不同形貌的反应路径以及相应的反应界面。本文认为由于溶液路径与表面路径的动态耦合,一些Li_(2)O_(2)颗粒对电极表面具有强烈的依赖性,并基于实验结果和理论提出了一种可能的机制,以期开发更先进的表征技术来揭示Li_(2)O_(2)复杂的生成路径,并指引锂氧电池的发展。

摘要：随着全球人口数量快速增长和科技不断进步,对能源需求逐步增加,但化石能源日渐枯竭,同时环境问题日趋严重.因此,亟需开发新型、绿色、高效的能源以及能源装置,以保障清洁能源的可持续利用.锂-氧电池因其能量密度高、环境友好等优点受到了人们的广泛关注,并被认为是替代锂离子电池的新储能系统之一.然而,对于锂-氧电池仍需解决诸如能量密度低于理论值、倍率性能差和循环寿命短等难题.开发高效稳定的氧电极催化剂是解决上述问题的关键手段之一.在众多潜在的过渡金属氧化物催化剂中,四氧化三钴因其地壳丰度高、成本低和性能优异等优点成为研究热点.本文采用静电纺丝技术,结合热处理技术,成功制备了中空四氧化三钴纳米球镶嵌的多孔碳纳米纤维复合催化剂(H-Co_(3)O_(4)-CNFs),系统地研究了其氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)的电催化性能,以及作为锂-氧电池正极催化剂的电化学性能.结果表明,在碱性电解质中,H-Co_(3)O_(4)-CNFs具有较好的ORR/OER活性,展现出较好的双功能催化性能.H-Co_(3)O_(4)-CNFs作为锂-氧电池的氧电极催化剂材料,在100 mA g^(‒1)电流密度下的过电位为1.35 V,电池的放电比容量达到6134 mAh g^(‒1);当电流密度增加至800 mA g^(‒1)时,放电比容量仍能保持68.5%.在充放电电流密度为100 mA g^(‒1),限制容量为500 mAh g‒1的条件下,电池能保持150圈的稳定循环.H-Co3O4-CNFs催化剂较好的催化性能可归因于:(1)氮掺杂的多孔碳纤维具有良好的导电性和快速的电子传输能力;(2)多孔结构增大了电解液和催化剂活性位点的接触面积,并为放电产物过氧化锂的形成和分解提供了场所.另外,其良好的循环性能得益于裸露的Co_(3)O_(4)和嵌入纤维中的Co_(3)O_(4)形成的两种独立活性位点,这使其在ORR和OER过程中均有可用的催化活性位点,并在放电和充电过程中交替发挥作用.综上,本文研究结果为高效氧电极催化剂的设计提供了新思路。

摘要：锂氧电池具有很高的理论比容量,作为锂离子电池的潜在高能替代品引起研究者极大兴趣。而阴极材料的选择和优化是提高锂氧电池性能的有效手段。为此,本文作者制备了可以同时实现高孔隙率和大比表面积的分级纳米多孔金(h⁃NPG),以此为阴极的锂氧电池展现出了优异的性能。而阻碍锂氧电池达到高理论比容量的一个重要原因是,电绝缘的放电产物过氧化锂(Li_(2)O_(2))会使电池阴极钝化,导致电池的容量迅速衰减和充放电循环次数降低。因此本文利用透射电镜(TEM)和电子能量损失谱(EELS)精准表征了锂氧电池阴极h⁃NPG在充放电过程中过氧化锂(Li_(2)O_(2))产物的微观结构演化,进而分析了Li_(2)O_(2)对阴极分级纳米孔道的影响,为新型阴极多孔材料提供了优化设计思路与失效判据。

摘要：锂氧电池(LOB)具有超高的能量密度和比容量,使用过程中一般采用持续供氧方式运行,但容易造成有机溶剂挥发损失。设计了一种不需要持续供氧的封闭结构LOB,在1.0 A/g电流密度和1000 mAh/g固定比容量下,CNTs正极在持续供氧条件下LOB仅能正常循环56次;而封闭结构(101325 Pa)下可循环118次。进一步采用Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene/CNTs复合正极LOB在封闭结构101325 Pa氧压下可循环311次,全放电比容量达到37617 mAh/g,倍率性能也有明显提高。

摘要：以金属锂为负极的二次电池具有高的能量密度(3860 mAh/g),被誉为电池设计制造业的“圣杯”。但是由于金属锂与电解液反应形成的固态电解质(SEI)组成和结构不均匀、稳定性较差,使得在电池循环过程中,金属锂的沉积和析出伴随着枝晶与“死锂”的生成以及体积膨胀,容易造成电池短路、循环稳定性差、能量效率低等问题。此外,在具有高能量密度的锂氧电池中,锂负极还面临着与正极交互作用(如与正极活性物质氧气、放电中间体分解电解液产生的水分等反应)带来的腐蚀问题。本文对金属锂枝晶及腐蚀问题进行评述,涉及合金化锂负极、三维结构锂负极、表面处理、电解液成分、隔膜改性以及固态电解质等提高金属锂稳定性的方法。其具体包括锂与硅、锡、铝等金属形成的合金化电极;采用多孔金属(如镍、铜等)、多孔碳材料(如碳纳米管、石墨烯、碳纤维等)构筑三维结构电极及其亲锂性的改善方法;通过化学预处理、电化学预处理、抛光和制备保护膜等表面处理方式提高金属锂的稳定性;通过调整电解液溶剂、溶质、添加剂的成分或浓度等方法调控固态电解质的组成和结构,以增强其稳定性;采用高聚物和/或无机纳米材料的复合材料对传统电池隔膜进行改性以防止正负极交互作用;以及使用高锂离子电导率的固态电解质等。本文充分探讨了各种锂保护方法的基本原理,详细阐述了其改善金属锂稳定性的根本原因,阐明了各种锂保护手段对电池性能的影响及其存在的不足与相应的改进方法,并对锂电极保护在新型锂氧电池中的应用及前景进行了展望。

摘要：锂氧(Li-O2)电池因具有超高的理论能量密度而受到人们的关注,但仍面临实际比容量较低、过电势较高和循环稳定性较差等挑战.以具有高比表面积、分级孔结构、丰富缺陷和高电导率等特征的3D分级结构碳纳米笼(hCNC,hierarchical carbon nanocages)为正极材料,构建出具有高放电容量(14080 mAh·g^-1)和良好循环稳定性的Li-O2电池;当在电解质中添加可溶性乙酰丙酮亚铁(Fe(acac)2)氧化-还原介质后,其放电容量、倍率性能和良好循环稳定性显著提升,过电势明显下降,如完全放电容量可达23560 mAh·g^-1(XC-72的7.82倍),在0.5 A·g^-1电流密度和800 mAh·g^-1截止比容量下可稳定循环138圈(远高于未加Fe(acac)2的68圈和XC-72的13圈),在5.0 A·g^-1高电流密度下仍可稳定循环63圈(远高于未加Fe(acac)2的21圈).优异的电化学性能可归因于:hCNC的特征结构能有效地促进电子传输和2Li^++O2+2e^-■Li2O2(s)的可逆转化,为放电产物Li2O2提供足够分散和容纳空间;可溶性氧化-还原介质Fe(acac)2能有效地催化Li2O2放电产物形成均匀分散的小尺寸颗粒堆积多孔形貌和随后的充电分解,进而降低过电势和提升电池的循环稳定性.本研究提供了通过设计新型碳基正极材料和添加高效可溶性氧化-还原介质提高锂氧电池性能的新思路.

摘要：柔性电子设备的飞速发展对可充式二次电池提出了越来越高的要求。柔性锂氧电池凭借着超高的理论能量密度,成为目前电池领域的研究热点,开发出高效、稳定、高机械强度及柔性的电池正极和负极是目前研究的关键。本文主要对柔性正极材料、锂负极的开发与设计进行简要介绍,并对该领域进行总结、展望。

摘要：清洁能源在开发和利用过程中存在间歇性和不稳定性,开发高性能、高效率、环保清洁的新型储能器件可保障稳定的能源输出,实现能源转型.其中,金属基电池(如金属-空气电池,金属-硫电池等)具有低成本,高能量密度的优势,具有较高的应用价值.电池电极材料(催化剂)的合理设计影响着其储能效率,对可再生能源技术的发展具有重要作用.近年来,随着研究人员对电催化反应机理的深入理解,缺陷工程被普遍认为是增加催化活性位点数量,提升电池性能的有效策略.其原因在于缺陷可以提供大量不饱和位点,从而为电化学过程提供更多活性中心,增强电极催化效率,实现电化学动力学的提升.此外,缺陷工程实现了电池电极材料局部原子结构以及配位环境的可控调节,进一步调整电极材料的电子和结构特性,可显著提升电池的电化学动力学.本文系统总结了缺陷工程促进电催化性能的可行性策略和金属基电池电催化剂缺陷工程的最新进展.首先介绍了金属-空气电池和金属-硫电池的反应机理,明确金属基电池的反应机理和反应过程对于开发性能优异、环境适应性强催化剂至关重要.其次,归纳和总结了缺陷的种类(本征缺陷、阴离子空位、阳离子空位、晶格畸变和杂原子掺杂)及其引入的常用方法(如热/化学还原、剥落、化学刻蚀、等离子体技术、球磨等).随后,讨论了用于检测电催化剂中缺陷类型和浓度的相关高端表征手段,揭示了构筑缺陷催化剂是提高电催化剂性能的关键.此外,对电催化电池中缺陷的作用及设计原则进行了总结,讨论了电催化剂中缺陷的作用机理,为未来实现具有高本征活性、长期稳定性和高选择性的电催化剂设计提供了更科学的指导.以典型的金属基电池(锌-空电池、锂氧电池、锂-CO_(2)电池、锂硫电池、钠硫电池等)为例,详细介绍了缺陷工程在提高金属基电池电化学性能中发挥的重要作用及其最新进展.最后,提出了金属基电池目前面临的挑战和发展前景,旨在通过缺陷工程提升催化电极材料活性,促进清洁储能器件的商业化进程.

摘要：锂空气电池[或锂氧电池(Li-O_(2))]由锂金属和多孔电导体结构组成,电极通过空气中的氧和锂反应释放能量。该技术尚处于起步阶段,但理论上比传统锂离子电池存储更多的能量。在《Advanced Functional Materials》杂志上发表的一篇论文中,介绍了利物浦大学斯蒂芬森可再生能源研究所(SIRE)的Laurence Hardwick教授及同事们精心设计的电解质配方,极大地减少了电池内部的副反应,延长了周期稳定性。